Теория поглощения и испускания света в полупроводниках - Грибковский В.П.
Скачать (прямая ссылка):
Если люминесцирующие частицы совершают броуновские повороты, то люминесценция деполяризуется. Степень ее поляризации выражается формулой Левшина — Перрена [137]
1 1 , ( 1 1 \ kT /7RR.
т, (7.66)
Р0 V Л> 3 ) Уц
где Ро — степень поляризации при отсутствии поворотов частиц; V — объем частицы; т] — вязкость растворителя; т — время затухания люминесценции.
Границы применимости классических формул для поляризации люминесценции будут рассмотрены в следующей главе.
Горячая люминесценция. При изучении люминесценции сложных молекул и кристаллов обычно предполагается, что за время между актами возбуждения электронов на более высокие энергетические уровни и переходом их вниз успевает установиться равновесное распределение носителей заряда в пределах каждой электронно-колебательной полосы или зоны энергии. Распределение электронов по уровням энергии определяется равновесными функциями либо Больцмана, либо Ферми — Дирака.
В течение длительного периода времени границы применимости этого предположения были недостаточно ясны и не служили предметом исследования. Времена жизни фононов, определяющие скорость установления равновесного распределения электронов по уровням энергии, были столь малы, что
121
их н*е удавалось измерить на опыте. Не наблюдались также какие-либо другие явления, связанные с отступлением распределения электронов от равновесного.
В последние годы появились лазеры, дающие импульсы ¦света пикосекундной длительности (см. § 24), значительно возросла разрешающая способность спектральной аппаратуры и созданы квантометры, способные регистрировать в принци-ле отдельные кванты света. Это создало необходимые предпосылки для изучения процессов, обусловленных горячими электронами, в том числе и горячей люминесценции.
Термин «горячая люминесценция» был введен впервые в работах К- К. Ребане и П. М. Саари [161, 162]. Авторы исследовали при температуре жидкого гелия вторичное свечение кристаллов К.С1—NOT и KBr—NOi-. С помощью усовершенствованного метода счета фотонов им удалось зарегистрировать новые, очень слабые, линии люминесценции, которые возникали в результате оптических переходов примесных центров с высоких колебательных уровней возбужденного электронного состояния в основное электронное состояние. Такая люминесценция названа горячей, потому что ее линии лежат в той области, где расположены линии обычной люминесценции при высоких температурах.
Горячая люминесценция испускается примесным центром в кристаллах и в ходе его релаксации с верхних колебательных уровней на нижние. В щелочно-галоидных кристаллах она подробно изучена К. К. Ребане и его сотрудниками [163—166]. Обзоры первых исследований в указанном направлении приведены в работах [167—169].
Исследование горячей люминесценции позволяет получить новые сведения о свойствах вещества и в частности определить время жизни квантовомеханической системы на колебательном или вращательном уровне. Так, в работе [161] время жизни полносимметричного локального колебания молекулы N02 в КС1 оценено в 300 периодов колебаний, или 2-10-11 сек приГ=77°К.
Наряду с горячей люминесценцией можно ввести понятие переохлажденной люминесценции, линии которой возникают там, где должна наблюдаться обычная люминесценция при более низких температурах [167].
Механизм горячей люминесценции в полупроводниках на примере межзонных переходов схематически изображен на рис. 21. Если образец возбуждается светом, энергия квантов которого значительно больше ширины запрещенной зоны, то-электроны будут забрасываться на высокие энергетические уровни в зоне проводимости, а в глубине валентной зоны образуются дырки. Горячие электроны и дырки можно рассматривать как некоторые добавки к тем носителям, которые уже
122
Рис. 21. Схема механизма возникновения обычной (шл) и горячей люминесценции в полупроводниках при межзонных (шг.л) и внутризонных (wr л> шг л) переходах в полупроводнике, возбуждаемом в частоте шв. Справа на рисунке показаны функции плотности состояний gc(Ec) и gv(Ev) и фактическое распределение электронов п(Ес) и дырок р(Ес) по уровням. Штриховые кривые — равновесное распределение носителей
потеряли свою избыточную энергию и распределены согласно функции Ферми — Дирака. Эти добавочные носители в процессе релаксации не только взаимодействуют с кристаллической решеткой, но и могут совершать межзонные и внутризон-ные оптические переходы, испуская фотоны горячей люминесценции.
Интенсивность горячей люминесценции зависит от отношения времени релаксации к времени жизни возбужденного состояния. Обмен энергии между молекулами, находящимися в газовой фазе, обычно затруднен, поэтому в таких системах почти всегда имеется значительное отклонение от равновесного распределения частиц по уровням энергии [120]. Интенсивности горячей и обычной люминесценции могут быть соизмеримы.
В последние годы с помощью пикосекундных импульсов лазерного света удалось провести прямые измерения сверхбыстрых излучательных и безызлучательных процессов в жид-
123
костях и твердых телах [170—179]. Например, в алмазе время поперечной релаксации колебаний решетки оказалось равным [176] (2,9±0,3) • 10-12 сек при Г—300 °К- Волновое число колебаний у'=1Д = 1332 см~4. Ранее на основании ширины линии вынужденного комбинационного рассеяния было получено практически такое же значение: ~ (2,6±0,3) X
